人 机 工 程 学

1. 人 机 工 程 学 Ergonomics 主讲教师：李 明 13504413507 lim.cn@163.com

2. 第三章 桌椅设计 第一节 桌椅设计概述 第二节 坐姿生理解剖基础 第三节 座椅的功能尺寸 第四节 坐垫与靠垫 第五节 办公桌的功能尺寸

3. 第一节 桌椅设计概述 一、坐姿工作与座椅 • 从生理学、解剖学和人体力学几方面分析，坐姿有以下特点： ①坐姿解除了上肢、上身重量对两腿的压力，减轻了足踝、膝、髋等关节的压力，也减轻了全身肌肉，尤其是腿部肌肉的负荷，可减少人体能量的消耗。 ②使腿部血管内压降低，血液较易于向心脏回流循环，能缓解疲劳。 ③有利于维持身体的稳定，也有利于情绪的安定。 ④坐姿解放了双脚，使腿脚易于参与操作，还能利用靠背发挥腿脚的蹬力。 ⑤不利方面：操作范围、动作幅度小于立姿操作；不能借助体力、腰力，因此双臂操作力小于立姿；增加了人体对于环境振动的敏感性等。

4. 第一节 桌椅设计概述 图3-1 布劳耶钢管椅（1928） • 瑞典医生阿克布罗姆的《站与坐的姿势》一书1948年问世，奠定解剖学指导座椅功能设计的基础。1954年发表了他的座椅靠背曲线设计。 图3-2 阿克布罗姆靠背曲线 二、桌椅的历史与现状 • 古代桌椅在造型、装饰等审美、文化方面可供今人研究借鉴。但符合人体解剖学要求、能长时间坐着舒适的座椅却鲜如凤毛麟角。 • 德国包豪斯学校的布劳耶（1902-1981）突破木制家具的传统，设计出第一把钢管椅，首开家具新材料使用的先河。

5. 二、桌椅的历史与现状 合理的桌高＝合理的椅面高＋合理的“桌椅面高度差” 因此，关键是座椅问题，优先分析。 • 1968年IEA召开第一次座椅国际学术研讨会，掀起研究高潮随后，各国纷纷制定或修订新的座椅技术标准，如学校课桌椅、办公用椅、工作椅、飞机座椅、火车座椅等的工业标准。 • 1974年日本把办公桌高度由740mm改为700mm（男用或男女合用），与670mm（女用）的两种新标准。 • 1980年代以前我国办公桌的通用高度为800mm。……！近年我国市场上的新型办公桌已经降到较为合适的高度。 • 我国已发布了一批家具的技术标准，如：GB/T 3976-1983 《学校课桌椅功能尺寸》，GB/T 14774-1993《工作座椅一般人类工效学要求》，GB/T 3326～3328-1997（办公桌、文件柜、衣柜等家具尺寸标准等。

6. 第二节 坐姿生理解剖基础 一、坐姿脊柱形态及其生理效应 图3-3 全身骨骼图 3-4 脊柱的构造 1．脊柱、椎间盘与骨盆结构 • 人体骨骼共有206块，分为中轴骨和四肢骨两大部分。中轴骨包括颅骨29块、椎骨26块、肋骨12对、胸骨1块 • 支撑头颅与全身的骨结构为脊柱、骨盆与下肢。脊柱共24节椎骨分4个区段：上段7节椎骨为颈椎，接下来12节椎骨为胸骨，再下面5节为腰椎；脊柱的下端是骶尾骨，即由5块融合成一体的骶骨和由4块融合成一体的尾骨。 • 脊椎骨间的软组织称椎间盘。全部椎间盘的厚度之和占脊柱总长的1/4。腰椎的椎间盘最厚。

7. 1．脊柱、椎间盘与骨盆结构 a）坐着b）站着 图3-5　上身体重在骨盆处的传承情况 骨盆由脊柱下端的骶尾段与髋骨构成，上接脊柱，下连下肢。 骶尾骨嵌插在髋骨腔孔内，人的体重经骶尾骨传压在髋骨上。 人坐着，体重由坐骨作用于椅面，腿脚不受力。 人站着，体重通过腿脚作用于脚底支承面上。

8. 一、坐姿脊柱形态及其生理效应 a）站着，腰椎前凸 　 b）坐着腰椎凸向后 图3-6 　坐姿脊柱形态的变化 2．坐姿脊柱形态的变化及其生理效应 • 人直立时脊柱为正常生理弯曲状态，椎间盘受压均匀且较小；形态特征是腰椎段为向前凸出，且曲度较大。 • 坐姿引起脊柱形态改变腰椎段由前凸变直甚至略向后凸，不利腰间盘受压均匀，因此坐姿下腰椎易感不适。

9. 2．坐姿脊柱形态的变化及其生理效应 图3-7 靠背仰角、支承对第三腰椎椎间盘压力的影响 可见坐姿脊柱形态的解剖学分析对于座椅设计很重要。 这种不利影响因靠背形式不同而明显不同。

10. 第二节 坐姿生理解剖基础 • 1．椅面软硬与椅面体压 • 硬椅面上加薄软的垫子，坐骨下压力峰值大幅度下降，可改善体压分布。 • 坐垫太软、太厚，使体压分布过于均匀，则有害无利。 图3-8 椅面上适宜的体压分布（10²Pa） 二、坐姿下的体压 （一）椅面上臀部与大腿的体压 • 两坐骨粗大坚壮，皮肤厚实，适宜承受坐姿的大部分体压。但压力过于集中，则因对微血管局部神经末梢压力过重而有碍。 • 影响椅面上体压的因素：椅面软硬、椅面高度、椅面倾角及坐姿等。

11. （一）椅面上臀部与大腿的体压 2．座高与椅面体压 图3-9 三种座高下椅面体压等压线图（10²Pa） 3．座面倾角与椅面体压 图3-13 前倾工作时座面倾角与椅面体压的关系

12. 二、坐姿下的体压 （二）腘窝的压力 腘窝对压力很敏感，应避免受压。 a）座面过高b）座面过深 图3-10 造成腘窝受压的两种原因

13. 第二节 坐姿生理解剖基础 三、坐姿下的股骨、肩部、小腿与背肌 1．股骨与座面形状 • 椅面在冠状面内成较大的弧凹形，使股骨两侧往上推移，髋部肌肉受压，造成不适。 2．肩部与扶手高度 适宜 不适宜 图3-11 椅面形状和扶手高度的解剖学分析 3．小腿的支承与背肌 • 小腿支承在地面，大腿体压降低、背肌紧张缓解，上身平衡稳定而轻松。

14. 第二节 坐姿生理解剖基础 大猩猩也翘二郎腿？ 四、平衡调节理论 • 适时活动身体，使骨骼肌肉和体压状态得到调节变更，才符合生理要求。 • “翘二郎腿”，是生理学的“不良姿 势”，但在不知不觉中……

15. 第二节 坐姿生理解剖基础 五、工作座椅的一般人类工效学要求 • GB/T 14774-1993 《工作座椅一般人类工效学要求》的要点如下: • 结构形式使操作者身体舒适、稳定，能准确进行操作。 • 座高和腰靠高方便于调节，并能进行可靠的紧固。 • 调节范围：从女子5百分位数到男子95百分位数 • 座高：360～480mm，无级或20mm一挡的有级调节； • 腰靠高： 165～210mm，无级调节。 • 外露部分没有易伤人的尖角、锐边、突头。 • 结构材料无毒、阻燃、耐用；座垫、腰靠、扶手的覆盖层材料柔软、防滑、透气、吸汗、不导电。

16. 第三节 座椅的功能尺寸 • 座椅功能尺寸和形态随目的要求而异，可分为： ①工作椅 ② 休息椅 ③办公室用椅、会议室用椅等。 本节着重分析工作椅的功能尺寸，兼及其他座椅。 一、座面（前缘的）高度 1．工作椅 座高的设计要点是： ①大腿基本水平，小腿铅垂支撑于地面； ②腘窝不受压； ③臀部边缘及腘窝后部的大腿在椅面获得“弹性支承”。

17. 一、座面（前缘的）高度

18. 一、座面（前缘的）高度 太高啦！！ 2. 其他椅子 • 为了舒适，非工作椅座高宜于比工作椅低，从会议室椅、影剧院椅、候车室椅、公园休闲椅、沙发、安乐椅、……，到躺椅，座高依次降低。

19. 第三节 座椅的功能尺寸 a）平衡椅b）云椅 图3-14 附设软垫膝靠的椅子 二、座面倾角α 1．工作座椅 • 常见工作椅的α可为正值（前缘翘起），但用于读、写、打字、精细操作等身躯前倾工作的，α取正值使腘窝处体压加大，则不合适，图3-13a、b 。 • 图3-13c、d中α为负值，体压相对集中在坐骨骨尖位置，分布合理。 • 工作椅座面倾角问题可归结为3条： ①一般办公椅可取α＝0°～5°，推荐α＝3°～4°。 ②前倾工作椅α取负值；前倾度大，加大负值,如“平衡椅”和“云椅”。 ③新式办公椅可在一定范围内自动调节α和靠背倾角，使不同状态下都能较为舒适。

20. 二、座面倾角α 图3-15 座面和靠背倾角可自动调节的工作椅 2．休息椅 多为椅面前缘翘起、α为正值，躯干稳定舒适。越是以休息放松为主的座椅，α越应取较大数值。 表3-1 几种非工作椅的座面倾角参考值

21. 第三节 座椅的功能尺寸 三、靠背的形式及倾角 （一）不同座椅的靠背功能 1．工作椅 • 工作椅的靠背主要是腰靠，在第三、四腰椎的位置上。 2．休息椅 • 休息椅靠背后仰，功能转向支承躯干、放松背肌，位置在第八胸椎骨。安乐椅、躺椅等长时间休息用椅，为缓解颈椎负担，宜提供头枕。 3．办公椅 • 介于工作椅和休息椅之间，可采用以支承躯干体重为主的靠背。

22. 三、靠背的形式及倾角 表3-2 四种座椅靠背形式及其适用条件 图3-17 不同座椅部分功能尺寸的变化与对比 （二）四种座椅靠背形式

23. 第三节 座椅的功能尺寸 图3-18 座深过深，起立困难 四、其他功能尺寸 1．座深 ①臀部边缘及大腿在椅面获得“弹性支承”，使上身稳定，减轻背肌负担。 ②在腘窝不受压的条件下，腰背部能获得腰靠的支托。 • 符合上述要求的工作椅座深为：略小于坐姿人体尺寸“3.9坐深”。 • 中国成年人“坐深”：P5女 ＝401mm，P95男＝494mm。 • 工作椅座深一般应“宁浅勿深”。 • GB/T 14774-1993给出的座深数值为 360～390mm，推荐值380mm。 • 办公椅座深同于或稍大于工作椅座深。休息椅座深可以再大一些，但座深过大，使腰椎在座面和靠背交接处造成生理不适，也让老年人起站起困难。

24. 四、其他功能尺寸 图3-19 座宽过小与过大 2．座宽 • 单人椅的座宽，略大于“4.6 坐姿臀宽”（男女公用者，取女性尺寸为设计依据）。 • 中国人“ 坐姿臀宽”：P95女＝382mm。 • 因此，GB/T 14774-1993给出座宽范围 370～420mm，推荐值 400mm。 • 扶手椅座宽不够或过宽，坐着都不舒服。 • 排椅的单人座宽应大于 “4.7 坐姿两肘间宽”，并考虑穿衣引起的尺寸修正量。 • 中国人“ 坐姿两肘间宽”：P95男＝489mm，考虑穿衣修正量，排椅的单人座宽宜不小于500mm。

25. 四、其他功能尺寸 图3-20 扶手过高与过低 3．扶手 • 扶手功能主要有： ①用手臂支撑起座、调节体位，尤其对躺椅、安乐椅； ②支承手臂重量，减轻肩部负担； ③对座位相邻者形成身体和心理上的隔离。 • 扶手过高，使肩部被耸起； • 扶手过低，起不到支承大小臂的作用，均使肩部肌肉受力紧张，应避免。 • 扶手高度宜略小于 “3.5 坐姿肘高”。 • 中国人“坐姿肘高”： P50男＝263mm， P50女 ＝251mm。平均值257mm，GB/T 14774-1993对公用座椅的扶手高度推荐值为 （230±20）mm。

26. 第三节 座椅的功能尺寸 五、GB/T 14774-1993的推荐值

27. 五、GB/T 14774-1993的推荐值 *课堂讨论 你体验过、考虑过不同坐姿的不同感受吗？ a） b） 图3-22 两种坐姿，不同感受 你的新椅子 试试！ 谁？？ 这是啥？

28. 第四节 坐垫与靠垫 图3-23 椅垫的软硬性能 一、椅垫的生理学评价要素 ①椅垫的软硬（即力学或机械性能）； ②椅垫材质对于体肤的生理舒适性。 二、椅垫的软硬性能 • 硬椅面 局部体压过大，让人难受。 • 椅垫过厚过软 体压太均匀，不利于理调节，不舒适，使人无精打采。 • 硬座面加薄软垫子 软硬适中。

29. 第四节 坐垫与靠垫 图3-24 椅垫与人体接触面上的湿度状况 三、椅垫材质的生理舒适性 1、椅垫材质的皮肤触感 柔软、暖和、粗糙而不是硬挺、僵冷、光滑。 2、椅垫的微气候条件 ①透气性好，使皮肤的干爽； ②保温性适当，不过强或过弱； ③表面触感好，不过于光滑。

30. 第五节 办公桌的功能尺寸 一、桌面高度（桌椅配合） • 桌面过高 使人难受，还是引起青少年近视的原因之一。 • 桌面过低 工作时脊柱曲度加大，腹部受压，妨碍呼吸和有关部位的血液循环，颈椎弯曲尤其厉害。 • 桌高的确定方法： 桌高＝座高＋合理的桌椅高度差 • 合理的桌椅高度差（Czy）可依据坐姿的“3.1坐高”确定， • 书写用的桌子 :Czy＝（坐高/3）-（20～30）mm ， • 学生用的课桌： Czy＝（坐高/3）-10mm 。

31. 一、桌面高度（桌椅配合） • 据此，推算中等身材男子、女子书写用桌的桌高如下： • 书写用桌高＝座高＋Czy＝座高＋（坐高/3）－20mm • 对50百分位数身高的男子，座高50男＝422mm，坐高50男＝908mm， • 由此可得，书写用桌高50男＝[422+（908/3）-20]mm＝705mm； • 对50百分位数身高的女子，座高50女＝386mm，坐高50女＝852mm， • 由此可得 ，书写用桌高50女＝[386+（852/3）-25]mm＝655mm； • 办公桌与书写专用桌略有区别，难以区别男用或女用。GB/T 3326-1982规定：办公桌桌高范围为 H＝700～760mm，级差ΔS＝20mm。 • 我国中等身材者办公桌的适宜尺寸。

32. 第五节 办公桌的功能尺寸 二、中屉深度 • 桌高降到700～760mm，中屉得减浅，否则大腿位置局促，甚至放不进去。 • 桌椅高度差的尺寸组成为：a＝b＋x＋c＋d ＋e＋f • 式中a ——桌椅高度差 b ——桌子面板的厚度 x ——中屉的深度 c ——中屉底板的厚度 d ——坐姿人体尺寸“3.6 坐姿大腿厚” e ——穿衣修正量 f ——中屉下面大腿的（小幅度）活动空间 • 对中等身材的男子：a＝[（908/3）-20]mm＝283mm，d＝130mm，设取b＝20mm，c＝10mm，e＝（2×6mm）＝12mm，f＝30mm，于是得到 ， x＝[283－20－10－12－130－30]mm＝81mm 。 • 可见新式办公桌的中屉深度仅80mm左右，相当浅。

33. 工业设计教研室 南湖校区教学主楼（机电）1385室 欢迎访问设计·工大网design.dept.ccut.edu.cn 请继续关注下一章 设计·工大网：http://design.dept.ccut.edu.cn